Jak wcisnąć piezoakustyczne przetworniki do urządzeń skurczących

Dowiesz się:

• Szerokie zastosowanie technologii piezoelektrycznej.
• Dlaczego tendencja do miniaturyzacji urządzeń przy jednoczesnym zachowaniu precyzji stanowi wyzwanie dla inżynierów.
• W jaki sposób narzędzia oprogramowania wielofizycznego mogą rozwiązywać wrodzone wyzwania wielofizyczne związane z projektowaniem piezoelektrycznych przetworników akustycznych.

Coraz większa miniaturyzacja i wyrafinowanie produktów elektronicznych, począwszy od urządzeń medialnych dla konsumentów, poprzez narzędzia diagnostyczne medyczne po zastosowania sonarów związane z obronnością,), a dla inżynierów projektowych stanowi to ciągłe wyzwanie.Te pozornie różne produkty ( głośniki urządzeń dźwiękowych/ruchomych, niektóre nieinwazyjne urządzenia medyczne,i urządzenia sonarowe) łączy zależność od przetworników piezoelektrycznych do generowania i odbierania sygnałów akustycznych.

Materiały piezoelektryczne są cenione od pierwszej połowy XX wieku ze względu na ich zdolność do konwersji energii mechanicznej na energię elektryczną i odwrotnie.Technologia XXI wieku wymaga, aby te same materiały wytwarzały więcej dźwięku lub dokładniejsze częstotliwości w coraz mniejszych opakowaniach., przy wykorzystaniu jak najmniej energii.

Wyzwanie projektowania urządzeń zawierających piezoelektryczne jest z natury wielofizyczne ze względu na zbieżność energii elektrycznej, wibracji i akustyki.Projektanci muszą mieć narzędzia, które mogą obliczyć wielokrotność fizyki w swoich produktach..

Przegląd materiału piezoelektrycznego

Materiały piezoelektryczne to materiały, które mogą wytwarzać energię elektryczną z powodu naprężenia mechanicznego, takiego jak kompresja.Typowe materiały piezoceramiczne, nieprzewodzące ceramiki lub kryształu, umieszczane są między dwiema płytami metalowymi.

Aby wytworzyć piezoelektryczność, materiał musi być sprężony lub wyciskany.który jest określany jako odwrotny efekt piezoelektrycznyEfekt ten powstaje poprzez zastosowanie napięcia elektrycznego, aby kryształ piezoelektryczny skurczył się lub rozszerzył.

Materiały piezoelektryczne znajdują się w zaskakującej gamie produktów codziennego użytku.Płomień, który ożywa przy naciśnięciu przycisku zapalniczki, powstał dzięki sprężeniu materiału piezoelektrycznego, co wytwarza iskry.

Teraz przyjrzyjmy się innym produktom, które stanowią większe wyzwanie dla inżynierów projektowych ze względu na potrzebę zwiększenia wydajności w mniejszych urządzeniach.

Mikrofony i głośniki

Materiały piezoelektryczne są szeroko stosowane w akustyce.Mikrofony zawierają kryształy piezoelektryczne, które przekształcają wchodzące fale dźwiękowe w sygnały, które następnie są przetwarzane w celu wytworzenia wychodzącego wzmocnionego dźwiękuMałe głośniki, takie jak te w telefonach komórkowych i innych urządzeniach mobilnych, są również napędzane przez kryształy piezoelektryczne.

Wyzwaniem jest tutaj zaprojektowanie przetworników piezoelektrycznych, które mogą wytwarzać dźwięk bardzo wysokiej jakości w małym opakowaniu i bez zużywania zbyt dużej ilości baterii urządzenia.

Urządzenia medyczne

Nieinwazyjne urządzenia medyczne, takie jak aparaty słuchowe, również częściowo korzystają z piezoelektryki.który jest głównym zastosowaniem materiału piezoelektrycznego.

W ultradźwiękach materiały piezoelektryczne są elektryzowane, tworząc fale dźwiękowe o wysokiej częstotliwości (między 1,5 a 8 MHz), które są w stanie przeniknąć do tkanek ciała.kryształy piezoelektryczne zamieniają otrzymaną energię mechaniczną w energię elektryczną, wysyłając go z powrotem do urządzenia ultradźwiękowego w celu przekształcenia go w obraz.

Inne urządzenia medyczne, takie jak skalpel harmoniczny, wykorzystują materiały piezoelektryczne z właściwościami wibracyjnymi do cięcia i przypalania tkanki podczas operacji.Kryształy piezoelektryczne w urządzeniu wytwarzają zarówno energię kinetyczną, jak i energię cieplną potrzebną do jednoczesnego cięcia i spalania.

Wyzwania związane z projektowaniem ultradźwięków koncentrują się na potrzebie określenia właściwego kształtu i składu materiału komponentów piezoelektrycznych, aby stworzyć bardzo precyzyjne częstotliwości stosowane w ultradźwiękach.w przykładzie skalpelów harmonicznych, projekt musi uwzględniać wpływ ogrzewania na odpowiedź drgań urządzenia.

Sonar

Być może najszersze i najdłużej trwające zastosowanie technologii piezoelektrycznej można znaleźć w zastosowaniach sonaru.i jego użycie wzrosło w okresie między dwoma wojnami światowymi.

Dziś wszystkie systemy oparte na sonarze, w tym te używane przez wojsko, rybaków komercyjnych i w wielu innych zastosowaniach morskich,wykorzystuje piezo-zawierający przetwornik zarówno do generowania jak i odbierania fal dźwiękowych.

Wydaje się to proste, ale projektowanie przetworników do przenoszenia dźwięku przez wodę zamiast przez powietrze może stanowić własny zestaw złożonych wyzwań inżynierskich.Te zastosowania często wymagają, aby urządzenie piezoelektryczne wytwarzało sygnały o dużej mocy, aby rozprzestrzeniać się na duże odległości bez osłabiających się poniżej wykrywalnych poziomów.

Nowe zastosowania

Nowe zastosowanie materiałów piezoelektrycznych jest w technologii pozyskiwania energii.mogą być z powodzeniem stosowane w każdym zastosowaniu wymagającym lub wytwarzającym wibracje.

W procesie pozyskiwania energii wibracje zewnętrzne wytwarzają obciążenie mechaniczne na materiał piezoelektryczny, który przekształca się w energię elektryczną.Energia wytworzona przez piezo może być następnie wykorzystana do zasilania innych komponentów urządzenia lub systemu.

Systemy monitorowania ciśnienia opon niezależnych od baterii (TPMS) stanowią jeden z takich przykładów.Przechowuje go., który wysyła sygnał do panelu wyświetlacza kierowcy.ale rosnące zainteresowanie przyjaznymi dla środowiska alternatywami dla baterii doprowadziło do ponownego skupienia się na potencjale pozyskiwania energii przez materiały piezoelektryczne.

Stare odkrycia, współczesne wyzwania

Chociaż materiały piezoelektryczne są wykorzystywane od ponad stulecia, obecna potrzeba ich zastosowania w mniejszych i bardziej złożonych produktach stanowi wyzwanie dla inżynierów projektowych.Wybór odpowiednich materiałów i zaprojektowanie odpowiedniego kształtu kryształu ma kluczowe znaczenie dla funkcjonalności prototypu.

Piezo ma bardzo złożone właściwości materiałowe, które są ściśle ze sobą powiązane, a skład materiału ma znaczenie.jeśli kształt kryształu piezoelektrycznego nie wytwarza prawidłowej częstotliwości rezonansuI w eleganckim śladzie z Efektem Obserwatora samo elektryfikacja kryształu piezoelektrycznego deformuje jego kształt, wytwarzając jednocześnie więcej energii elektrycznej.

To niewiarygodnie skomplikowana pętla sprzężenia zwrotnego wołająca o rozwiązanie projektowe, które eliminuje domysły związane z długimi procesami budowy i testowania prototypu.

Dlaczego symulacja ma znaczenie?

Symulacja jest zawsze przydatna w przypadku nieliniowości, ponieważ uniemożliwia projektantom niewdzięczne (i często niewykonalne z budżetowego punktu widzenia) budowanie i testowanie wśród zbyt wielu niewiadomych.Przy rozważaniu przetworników elektroakustycznych, unikalne połączenie energii elektrycznej, energii mechanicznej i akustyki jest zdecydowanie nieliniowe i z natury wielofizyczne.

Symulacja wielofizyczna może zapewnić inżynierom projektowania narzędzia do bardziej efektywnego opracowywania produktów, umożliwiając im symulację projektów urządzeń w warunkach pracy.W przypadku gdy systemy te nie są w pełni zgodne z wymogami określonymi w załączniku I do rozporządzenia (UE) nr 528/2014, należy zastosować następujące procedury:Symulacje wielofizyki będą uwzględniać takie czynniki jak:

• Równice składowe reakcji mechanicznej i elektrycznej
• Kierunek polerowania właściwości materiału piezoelektrycznego
• Warunki graniczne
• Mechanika konstrukcyjna/ogrzewanie wibracyjne

Ponieważ urządzenia zależne od piezoelektryczności stają się mniejsze i bardziej złożone, aby sprostać wymaganiom zaawansowanych konsumentów (niezależnie od tego, czy są to osoby indywidualne, czy przemysły),Inżynierowie projektowi muszą mieć narzędzia, które obliczają wielokrotność fizyki w ich produktachNarzędzia do symulacji wielofizyki mogą zapewnić jasność i kierunek dla skomplikowanych wyzwań projektowych.

Można dowiedzieć się więcej o technologii piezoelektrycznej patrząc naProjektowanie piezoelektrycznych przetworników akustycznych z symulacjamiWebinar.